液压传动基本知识.ppt

“日立”挖掘机液压系统分析及故障诊断处理,授课高杰,教学内容：,第一章：液压传动基本知识回顾第二章：挖掘机液压控制系统基础第三章：日立挖掘机液压系统主要部件结构原理（液压泵、回转装置、行走装置、主控阀、先导控制阀）第四章：日立zx200-3、zx200-3g液压系统分析第五章：挖掘机故障一般检测与诊断方法第六章：日立挖掘机液压系统故障诊断与排除,学习本课程的方法,三遍书：预习（查资料）+复习+总结；二认真：听课+实验（实训）；一联系：理论与实践相联系（实训）。,课堂要求上课不准讲话、接电话、自由进出等；每节课老师都会认真打考勤；对教学有意见或疑问，课间和老师交流；课后直接找我或由班长（学习委员直接集中和老师反应）。,挖掘机的拟人化比喻,液压挖掘机既是工程中最常用的机械，又是最典型的仿生机器：大力士独臂机器人！,人体上肢VS挖掘机工作装置,液压挖掘机由发动机提供动力，通过液压柱塞泵(主油泵)把机械能量转换成液压能量，操作人员通过操纵手柄改变先导控制油压大小，控制各动作机构的控制阀芯换向和阀芯开度进行液压流量的换向和分配，最终控制挖掘机执行机构动作的方向和快慢。总而言之，液压挖掘机工作过程就是“人控制操纵手柄操纵手柄控制先导控制油压先导控制油压控制主油压流量和流向主油压驱动工作机构动作”的控制过程。,第一章：液压传动基本知识,帕斯卡原理液体不可压缩；处于密闭容器内的液体对施加于它表面的压力向各个方向等值传递。速度的传递按“容积变化相等”的原则。液体的压力由外载荷建立。泵一出油就有压力？能量守恒。,重物,充满油,面积小,面积大,力压力面积速度流量面积功率速度力,液压千斤顶工作示意图,（一）液压系统原理图常用线型和符号,符号：P泵压力油；A、B油缸或马达的工作油口；O、T、Dr油箱,表1：基本符号,表2：泵、马达及油缸符号,表3：压力控制阀符号,（原理和溢流阀相似）,表4：流量控制阀符号,表5：方向控制阀符号,P,B,A,B,A,P,表6：控制方式符号,表7：附件及其他符号,（二）相关基础元件结构原理,阀的开度不同，平衡状态的P是不相等的。开度的增大，平衡状态的P是增大的。通过对弹簧的选择，完全可以在阀塞的全行程内，将平衡状态的P控制在一定的范围之内。其功能是控制某个支路压差，使之基本恒定，而自身消耗的压差则是变化的，正是通过调整自身的开度，来调整自身所消耗的压差，以实现被控对象的压差恒定。,差动阀杆,阀杆受力平衡方程：PS1PS2F弹簧P（S1S2）F弹簧,差动阀原理,差动油缸原理：单杆活塞缸在其左右两腔都接通高压油时称为“差动连接”；当两腔同时通入压力油时，由于无杆腔有效作用面积大于有杆腔的有效作用面积，使得活塞向右运动，活塞杆向外伸出；同时，又将有杆腔的油液挤出流进无杆腔，从而加快了活塞杆的伸出速度。差动连接时液压缸的推力比非差动连接时小，速度比非差动连接时大；,差动连接是在不增加液压泵容量和功率的条件下，实现快速运动的有效办法。,差速回路,液压系统的基本组成液压泵：将机械能转换为液体压力能。执行元件：将液体压力能转换为机械能。例如油缸、油马达等。控制调节装置：各种阀；压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀等。辅助装置：油箱、过滤器、管路、接头、密封、冷却器、蓄能器等等。,（1）液压泵,A、齿轮泵吸油：封闭的容积总是处于不断增大的状态排油：封闭的容积总是处于不断减小的状态,液压泵与液压马达原理上是可逆的，但结构略有不同。,齿轮泵,困油现象,齿轮泵工作原理,B、轴向柱塞泵,斜盘式轴向柱塞泵,斜盘式轴向柱塞泵工作原理,配流式径向柱塞泵的工作原理,单柱塞式液压泵工作原理图,液压泵的基本性能参数：压力P（Mpa）：泵的输出压力由负载决定；负载压力，负载压力；安全阀限制最高压力。排量q（ml/r）：泵每转一周所排出的液压油的体积；排量不可变的泵叫定量泵；可变的叫变量泵。流量Q（L/min）：单位时间内输出液压油的体积。Q=qn（不考虑单位转换系数）其中：n是泵的转速，单位rpm，转/分钟泵的功率N（Kw）：N=PQ,液压马达的基本性能参数：排量q（ml/r）液压马达每转一周所排出液体的体积。排量不可变的叫定量马达，排量可变的叫变量马达。输出扭矩M（NM）M=Pq其中：P为马达进出口压力差，机械效率。输出转速n（rpm）n=Q/q其中：为马达的容积效率。,（2）液压控制阀,流量控制阀压力控制阀方向控制阀,A、流量控制阀,控制流过管路的流量，考改变通流面积的大小来调节流量（对流量的控制还可对回路的压力产生一定影响）。节流阀（阻尼孔）使液压油通过小孔、缝隙、窄槽等结构元素后流量减小并产生压力降P（阻尼）。节流会产生损失。注意：流动的液压油才具有上述性质。如果液压油是静止状态，则根据连通器原理，前后的压力是相等的。,P前,P后,P=P前P后,节流阀,节流阀,节流阀工作原理,节流调速回路在不考虑泄漏的情况下，液压缸的运动速度由进入（或流出）液压缸的流量q及其有效作用面积A决定，即：同样，液压马达的转速n由进入马达的流量q和马达的单转排量V决定，即：,改变流入（或流出）液压执行元件的流量q；改变液压缸的有效作用面积A或液压马达的排量V，均可调节液压执行元件的运动速度。一般来说，改变液压缸有效作用面积是困难的，所以常常通过改变流量q或排量V来调节液压执行元件速度，并且以此为基点可构成不同方式的调速回路。改变流量q有两种办法，其一是用流量控制阀调节，其二是用变量泵或变量马达调节。按改变流量或排量的方法不同，可将液压调速回路分为三类：节流调速回路、容积调速回路和容积节流调速回路。,节流调速回路通过调节流量阀的通流截面面积的大小来控制流入液压执行元件或执行元件流出的流量，以此来调节执行元件的速度。按流量阀在油路中的位置的不同，可分为：进口节流调速回路；出口节流调速回路；进出口节流调速回路；旁路节流调速回路；,节流阀出口节流调速回路,节流阀旁路节流调速回路,进口节流阀式节流调速回路通过改变节流阀的开口量（即通流截面面积AT）的大小，来调节进入液压缸的流量q1，进而调节液压缸的运动速度。实现调速功能，不仅节流阀的开口量能够调节，而且必须使溢流阀始终处于开启溢流状态，两者缺一不可。溢流阀的作用：一是调整并基本恒定系统的压力；二是将液压泵输出的多余流量溢回油箱。,进口节流阀式节流调速回路,节流阀进油调速回路,若液压泵的流量过大或溢流阀的压力调整过高，将导致液压油流经溢流阀和节流阀的功率损失增大，回路效率降低。若液压泵的流量不足时，将满足不了液压缸最大运动速度的要求，在这种情况下，无论怎样调大节流阀的开口也不起作用，因为液压泵的流量已全部进入液压缸，溢流阀不溢流，节流阀失去了调整作用。,液压缸的最大速度由液压泵的输出流量决定。出现上述速度失调情况时，液压泵的工作压力将由负载和节流阀阻力决定，已不再是溢流阀的调定压力。若溢流阀的调定压力过低时，液压缸将不能驱动大的负载而停止。,出口节流阀式节流调速回路不考虑系统泄漏和管路压力损失的情况下，液压泵的输出流量qP应为：液压泵的输出压力pp为：,当液压泵的输出压力按上式确定的值调定后，在回路工作过程中，该压力就不再变化，故这种调速回路也称为定压节流阀式节流调速回路。当负载变化时，会引起节流阀前后工作压差pT的变化。,出口节流阀式节流调速回路,与进口节流阀式节流调速回路相比较：（1）出口节流阀式节流调速回路中的节流阀能使液压缸回油腔形成一定背压，因而，它能承受负方向负载（与液压缸运动方向相同的负载力）。而进口节流阀式节流调速回路只有在液压缸回油路上设置背压阀后，才能承受负方向负载。但是，这样要增加进口节流阀式节流调速回路的功率损失。（2）在出口节流阀式节流调速回路中，流经节流阀而发热的油液直接流回油箱冷却。而进口节流阀式节流调速回路中流经节流阀而发热的油液，还要进入液压缸，不利于对热变形有严格要求的精密设备。,（3）对于单出杆液压缸来说，在出口节流阀式节流调速回路中，当负载变为零时，液压缸的背腔压力（有杆腔）将会升高很大，这样对密封不利。（4）同一个节流阀放到进口调速可使液压缸得到比出口调速更低的速度。综上所述，节流阀的进口、出口节流调速回路，结构简单，造价低廉，但效率低，宜用在负载变化不大、低速小功率的场合。另外，在液压缸的进、出油路上，也可同时设置节流阀，两个节流阀的开口能联动调节。这就构成了进出口节流阀式节流调速回路。由伺服阀控制的液压伺服系统就采用了这种调速回路。,旁路节流阀式节流调速回路改变节流阀的通流截面积，调节排回油箱的流量qT，间接地控制进入液压缸的流量q1，便可实现对液压缸速度的调节。在不考虑系统管路压力损失及泄漏情况下，液压泵的输出流量应为：当液压缸的背压腔压力p2为零时，液压泵的输出压力为：,旁路节流阀式节流调速回路,在旁路节流阀式节流调速回路中，液压泵的工作压力是随负载而变化的。因此，这种回路也被称为变压式节流调速回路。为了防止回路过载损坏，与液压泵并联一个溢流阀，这时它起安全阀的作用。当回路正常工作时，安全阀不打开，只有过载时才开启溢流。,旁路节流阀式节流调速回路中，当节流阀开口大时（即低速时），承载能力很差。回路的功率损失只有一项，即节流损失，没有溢流损失（与进口和出口式相比，旁路节流阀式节流调速回路的效率比较高）。液压泵的输出压力与负载相适应，没有多余的压力损失，因此，在高速和变载的情况下效率更高。速度调节特性不仅与节流阀本身有关，还与负载、泵的泄漏有关。因此其调速范围要比进出口节流阀式节流调速回路的调速范围要小。,B、压力控制阀,溢流阀安全阀：限制系统最高压力，保护系统元件不被高压损坏。、直动式：中低压系统、先导式：高压系统过载阀：限制封闭管路最高压力。减压阀一个泵同时供给两个以上压力不同的回路。、直动式：中低压系统、先导式：高压系统,溢流阀功用是当系统的压力达到其调定值时，开始溢流，将系统的压力基本稳定在某一调定的数值上；按调压性能和结构特征区分，溢流阀可分为直动式溢流阀和先导式溢流阀两大类。溢流阀应用十分广泛，每一个液压系统都必须使用溢流阀。,直动式安全阀,弹簧比较硬,直动式溢流阀,先导式安全阀当P低于先导开启阀压力时，主阀芯压紧阀座的力NF7+P(S-S)0，阀关闭（F7弹簧7的预压力，S略大S；液体不流动压力相等）；当P刚超过先导开启压力时，先导打开，油流动，小孔f节流，产生压力损失，使主阀上下腔产生压差P=P-P。,先导式溢流阀1,先导式溢流阀,先导阀刚开启时，主阀仍关闭，NF7+P(S-S)-PS0当P时，P，最终使N0，则主阀打开溢流。,接油箱则阀立即打开，则为卸荷阀。,溢流阀作卸荷阀,N,减压阀是一种利用油液流过缝隙产生压降的原理，使出口压力低于进口压力的压力控制阀。在液压系统中，减压阀用于降低或调节系统中某一支路的压力。,直动式减压阀（定值）,液压油通过缝隙x产生压力降PPC=PAP,保持出口压力稳定的措施,X阀开口量，x0弹簧预压缩量，s滑阀面积,x,缝隙,先导式减压阀原理与先导式安全阀类似，用于高压系统。,先导式减压阀原理1,先导式减压阀原理2,C、方向控制阀,主要控制方向，还可利用阀的开度适度控制回路的流量和压力。单向阀：只允许液压油单方向通过。选择阀：根据回路中压力的高低自动选择液压油通过的方向。截止阀：一个位置封闭，另一个位置通过。液压控制换向（液压先导控制）电磁阀控制换向二通插装阀,单向阀,直角单向阀,直通单向阀,液控单向阀,单向阀-液动,选择阀（梭阀）,换向阀电磁阀控制,控制符号,三位四通换向原理,三位四通电磁换向阀工作原理,电磁阀,电磁换向阀,液控换向阀,先导泵来油,先导泵回油,回位弹簧,换向阀-液动,电液换向阀,换向阀开口量与液压冲击KF：正开口，较多采用。无换向冲击，但是会造成“点头”现象。KF：负开口，有换向冲击（滑阀在换向过程中，离开中位位置走完距离K时，P腔处于完全封闭状态，在封闭段泵的流量不能通过换向阀，则阀前油压突高，造成压力冲击与振动）。,三位四通换向阀正开口换向的“点头”现象目的：动臂油缸大腔进油。结果：在重力作用下,换向瞬间大腔的油流回油箱，造成油缸先缩回后伸出。,“点头”现象的解决方案采用三位六通换向阀；在进油道设置单向阀。注：管路5和12都是进油道；管路是回油。,5,12,10,二通插装阀方向控制回路,插装阀做二位二通电磁阀,插装阀做单向阀,插装阀,E、其他元件,液压蓄能器原理：气体被压缩后储存能量。作用：吸收液压振动和冲击并可作为应急能源使用。,液压冲击,皮囊式蓄能器,油缸,单杆活塞缸三种连接形式,单杆式活塞缸结构,差速回路,过滤器1,过滤器2,过滤器3,过滤器,压力继电器速度换接,压力继电器,压力继电器控制的顺序动作回路,（三）、液压传动基本回路,液压挖掘机（单斗）作业程序：单斗液压挖掘机工作由动臂升降、斗杆收放、铲斗转动、平台回转、整机行走等动作组成。为提高作业效率，一个循环作业中可以组成复合动作：挖掘：铲斗和斗杆复合进行工作；回转：动臂提升同时平台回转；卸料：斗杆和铲斗工作同时大臂可调整位置高度；返回：平台回转、动臂和斗杆配合回到挖掘开始位置，进入下一个挖掘循环，在挖掘过程中应避免平台回转。,单斗液压挖掘机示意图,单斗液压挖掘机作业程序,挖掘机的液压系统,柴油机,先导泵,先导阀,司机,工作泵,主控阀,马达,工作装置工作,油缸,旋转、行走,驱动,控制油,操纵,控制油,工作油,工作油,工作油,实现,实现,驱动,液压基本回路液压油进/回油回路,（1）液压回路的串联串联：多路换向阀中上一个阀的回油为下一个阀的进油。液压泵的工作压力是同时工作的执行元件的总和，这种油路可以做复合动作，但是克服外载荷的能力比较差。,（2）液压回路的并联并联：多路换向阀中各换向阀的进油口都与泵的出油路相连，各回油口都与油箱相连。这种油路克服外载荷的能力比较强，但是几个执行元件同时工作时负载小的先动，负载大的后动，复合动作不协调。,（3）液压回路的合流合流：一般用于双泵和多泵系统中。用合流阀或者使两个回路中相应的换向阀同时动作，让两个泵同时向一个执行元件供油。以提高该执行元件的运动速度。,主控阀杆,合流阀杆,泵1,泵2,（4）开式和闭式液压系统液压系统有开式液压系统和闭式液压系统两种。开式液压系统油的流动：油箱泵控制阀执行元件控制阀油箱闭式液压系统油的流动：主回路：泵马达泵补油回路：油箱泵主回路,变量泵-变量马达,变量泵-定量马达,闭式液压系统,开式液压系统,请记住：闭式液压系统只能用于泵马达。或者说只能用于旋转运动的执行元件。开式液压系统可以用于泵马达，也可以用于泵油缸。或者说不仅可以用于旋转运动的执行元件，还可以用于往复直线运动的执行元件.应用：开式系统装载机、挖掘机闭式系统压路机、滑移装载机、挖掘机回转。,（四）液压系统的伺服控制,伺服系统也叫随动系统，是控制系统的一种，在这种系统中，输入量（机械位移、速度、加速度或力）能够自动地、快速而准确地复现输入量的变化规律；以此同时还起到信号的功率放大的作用，因此也是一个功率放大装置。由液压拖动装置作动力元件所构成的伺服系统叫做液压伺服系统。,日立EX2002型挖掘机采用微机控制，它采用了泵调节器电子化的负荷传感功率控制系统，与阀的控制共用一台控制器，柴油机另外用一台控制器；该机泵控部分是采用两只高速电磁阀控制双联伺服变量柱塞泵。,泵上安装有高速电磁阀1、2；压力传感器；角度传感器；发动机转速传感器；PVC(泵控制器)。还有设置在液压系统中的压差传感器。它们对泵的工作过程有重要的作用。,EX200一2型挖掘机主泵伺服变量原理,（1）高速电磁阀高速电磁阀1、2在工作过程中接受来自PVC的脉冲信号，每接受一个脉冲信号，它就完成一个快速的开关动作，油路的通断时间取决于脉冲的频率。,高速电磁阀1、2是变量信号的最终执行者，当1断路而2处于通路状态时，从先导泵来的压力油进入伺服活塞的小端，活塞另一端则通过阀2与油箱相通，伺服活塞上移，泵的斜盘倾角变小、排量减小。反之，当2断路而1处于通路时，泵的排量增加。,（2）压力传感器压力传感器选用膜片式压力传感器，它将测得的泵出口压力值转化为相应的电压值，反馈到PVC进行处理，压力传感器的正常工作范围如图示。,角度传感器输出值的正常范围,（3）角度传感器角度传感器的输入轴，通过一个拨叉连杆机构与斜盘相连，将斜盘倾角转换成相应的电压信号，当斜盘倾角在224范围内变化时，相应的电压输出值正常变化范围如图示。,（4）发动机转速传感器发动机转速传感器采用一个磁性探头，通过一个感应泵轴传动齿轮上轮齿信号，并将测得的实际转速反馈给泵阀控制器。（5）压差传感器压差传感器的作用是检测出泵的出口压力与油缸负载压力之间的差值。,主泵伺服变量系统的工作原理液压泵设置了调速器，采用软件对泵的排量进行控制，因此不论挖掘机在高原地区作业，还是经过长期运转使发动机的功率下降，都可以通过软件来解决。其基本原理是将压力传感器，倾斜角传感器，转速传感器和压差传感器四个信号输入到控制器，再将控制器的输出信号送入到两个高速电磁阀A和B，对主泵的倾斜进行控制。,高速电磁阀A和B都关闭时主泵倾斜角固定不变，A关闭而B打开则倾斜角增加，泵的排量增加。反之，A打开而B关闭则倾斜角减少。,P1,P2,（1）自动控制系统基础,自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标。自动控制系统广泛应用于生产劳动、社会服务、军事工程和科学研究等活动之中；各种自动控制系统的设计与制造已构成了一种新兴产业，成为支持和推动新技术革命的主要动力。,自动控制系统的组成：控制器、执行机构和信息反馈装置三部分组成。控制器：根据任务和当前执行情况决定以后应该采取的措施；以机械的、光电的或其他的物理方式向执行机构发出指令，以便后者准确地加以执行；执行机构：可能是某种工作母机，如挖掘机机、机床、化学反应器、作战武器的发射器等。反馈装置：监视和测量执行机构和工作对象的状态变化和执行结果，把这些信息反馈给控制器；,控制器是一台数字计算机或模拟计算机，按照设计者预先规定的目标和计算程序以及反馈装置提供的信息，对控制对象的状态和执行机构的动作作出分析，向执行机构发出新的指令。控制器还可以根据工作任务的转变，自动地改变整个系统的工作目标和程序，调换执行机构，更换反馈装置，转移或扩大接收反馈信息的范围，以适应新任务的需要。所有这些转变都应该在没有人工直接干预的情况下自动地完成。数字计算机正在赋予自动控制系统越来越大的智能性。从简单的速度或位置的机械自动调节器发展到今天的综合自动化系统。,自动控制的分类（一）按控制原理分自动控制系统分为：开环控制和闭环控制系统。开环控制系统在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制；控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。,控制方式：按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合.,开环控制系统特点：信号从输入到输出无反馈,单向传递；结构简单；控制精度不高,无法抑制扰动。,闭环控制系统闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。,反馈：输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程；负反馈：反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小；,闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈(NegativeFeedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例